CN113140765A - 一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法及系统 - Google Patents

一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法及系统，该方法包括以下步骤：1)进行空入流量、压力与空压机转速和背压阀开度的传递函数辨识；2)根据辨识所得到的传递函数进行反向解耦，用以实现空入流量和压力的独立控制；3)分别设计流量PI控制器和压力PI控制器，使其分别控制空压机转速和背压阀开度；4)采用基于内模方法的PI整定方法，将两个PI控制器中的四个参数整定转化为两个；5)根据整定后的两个PI控制器分别控制空压机转速和背压阀开度，从而实现空气流量和空入压力的解耦控制与现有技术相比，本发明采用流量压力解耦控制，参数整定容易，控制器实现方便，提高燃料电池安全性和可靠性，延长燃料电池使用寿命。

Description

一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池空入流量与压力解耦控制方法及系统。
背景技术
新能源汽车在节能环保的大背景下已经得到了汽车产业的重视，其中燃料电池污染几乎为零，且噪声小等优点备受关注。燃料电池通过电化学反应将化学能转化为电能，即在高能量反应物转向低能量生成物的过程中产生电流，能量转化效率高。其中，质子交换膜燃料具有重量轻、功率密度高、稳定性好等优点，非常适合作为车辆发动机，是未来车用燃料电池发展的趋势。
目前寿命、效率、成本和可靠性等制约了质子交换膜燃料电池在汽车领域商业化应用。其中，如何有效控制空气供给系统的压力和流量是提升高压燃料电池系统效率和可靠性的关键，空气供给系统的压力和流量需要被优化协调控制，有效的控制方案可使维持电堆内反应气体压力稳定，使得系统整体获得良好的动静态特性，才能提高燃料电池系统的输出功率，延长燃料电池使用寿命，也可使得燃料电池适应更复杂的高原等环境条件。
目前大部分研究主要在于控制空气流量方面，而不对空入压力进行控制，因此，为了对空气流量和压力进行解耦控制，提高控制精度和响应速度，有必要提出一种适用于实车控制器的燃料电池空气供给解耦控制技术。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，包括以下步骤：
1)进行空入流量、压力与空压机转速和背压阀开度的传递函数辨识；
2)根据辨识所得到的传递函数进行反向解耦，用以实现空入流量和压力的独立控制；
3)分别设计流量PI控制器和压力PI控制器，使其分别控制空压机转速和背压阀开度；
4)采用基于内模方法的PI整定方法，将两个PI控制器中的四个参数整定转化为两个；
5)根据整定后的两个PI控制器分别控制空压机转速和背压阀开度，从而实现空气流量和空入压力的解耦控制。
所述的步骤1)中，进行传递函数辨识具体包括以下步骤：
选择不同负载电流下的标定参数作为平衡点，并在平衡点附近施加激励，调节空压机转速和调节背压阀开度，得到多组不同转速、不同背压阀开度下的空入流量和空入压力数据，并采用最小二乘法进行参数辨识，得到传递函数的待辨识参数。
所述的步骤1)中，传递函数的表达式为：
Figure BDA0002962257710000021
其中，y1为空入流量，y2为空入压力，u1为空压机转速，u2为背压阀控制量，k11、k12、k21、k22、T11、T12、T21、T22均为待辨识参数。
所述的步骤2)中，对辨识所得到的传递函数进行反向解耦的表达式为：
Figure BDA0002962257710000022
Figure BDA0002962257710000023
Figure BDA0002962257710000031
Figure BDA0002962257710000032
其中，G为燃料电池系统的传递函数矩阵，g11、g12、g21、g22分别为G中的元素，Gv为反向解耦矩阵，gv11、gv12、gv21、gv22分别为Gv中的元素，Y为空入流量和压力构成的矩阵，V为中间变量矩阵，v1、v2分别为中间变量。
所述的步骤3)中，流量PI控制器的输入为设定流量与质量流量传感器实测流量之差，输出为空压机转速，压力PI控制器的输入为设定压力与压力传感器实测压力之差，输出为背压阀开度。
所述的步骤4)中，分别根据解耦后的传递函数引入滤波器得到等效内模反馈控制器，并根据等效内模反馈控制器分别确定流量PI控制器和压力PI控制器中的参数。
所述的等效内模反馈控制器GIMC(s)的表达式为：
Figure BDA0002962257710000033
其中，s为拉普拉斯算子，对于流量PI控制器和压力PI控制器T取值分别为T11和T22，对于流量PI控制器和压力PI控制器K取值分别为k11和k22，λ表示滤波时间常数，对应流量PI控制器和压力PI控制器设置为λ1和λ2。
根据等效内模反馈控制器分别确定流量PI控制器和压力PI控制器中的参数具体表达式如下：
Figure BDA0002962257710000034
其中，Kp、Ti分别为流量PI控制器和压力PI控制器的比例常数和积分常数。
一种燃料电池空入流量与压力解耦控制系统，该系统包括流量PI控制器、压力PI控制器以及依次设置的反向解耦模块和燃料电池系统模块，所述的流量PI控制器和压力PI控制器的输出端分别与反向解耦模块连接，流量PI控制器的输入为设定流量与质量流量传感器实测流量之差，输出为空压机转速，压力PI控制器的输入为设定压力与压力传感器实测压力之差，输出为背压阀开度，所述的燃料电池系统模块输出为实际流量和压力。
所述的流量PI控制器和压力PI控制器用以分别解耦独立控制空压机转速和背压阀开度，使得流量和压力达到设定期望值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明提出的燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，在不同情况下均可较好地跟踪设定的压力和流量，实现空入流量、压力的解耦控制，提高了燃料电池的工作效率并延长了燃料电池的寿命。
二、本发明所采用的反向解耦和PI控制器，虽依赖一定的数学模型，但是具有较强的鲁棒性，在不同温度和湿度等条件下均有较好的表现。
三、本发明所提出的参数整定方法大幅度提高了控制器参数整定的效率。
四、本发明所采用的控制算法整体运算量较小，在控制器中易于实现，便于嵌入控制器内对燃料电池空气供给系统进行控制。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的控制原理图。
图3为本发明实例中反向解耦原理图。
图4为本发明实例中流量与压力解耦控制仿真结果图，其中，图(4a)为流量的控制仿真结果，图(4b)为空入压力的控制仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法及系统，在本实例中，解耦控制方法包括以下步骤：
S1，空入流量、压力与空压机转速和背压阀开度传递函数辨识方法
选择不同负载电流下的标定参数作为平衡点，在平衡点附近给予激励，假设在负载电流为280A时候，空压机转速为78000rpm/min，背压阀开度为40，调节空压机转速使其到达不同转速，调节背压阀开度到不同开度，从而得到多组不同转速、不同背压阀开度的空入流量和空入压力。
设传递函数的形式如下：
Figure BDA0002962257710000051
其中，y1为空气流量，单位为g/s，y2为空气入堆压力，单位为kPa，u1为空压机转速，单位为rpm/min，u2为背压阀控制量，k11、k12、k21、k22、T11、T12、T21、T22为待辨识参数。
按照上述的式子，采用最小二乘法进行参数辨识，得到待辨识参数。
S2，根据辨识所得到的传递函数进行反向解耦，实现流量压力独立控制
根据辨识得到的传递函数，按照如图3所示结构可以得到如下方程：
Figure BDA0002962257710000052
Figure BDA0002962257710000053
其中y1为空气流量，单位为g/s，y2为空气入堆压力，单位为kPa，u1为空压机转速，单位为rpm/min，u2为背压阀控制量
Figure BDA0002962257710000054
反向解耦具体公式如下：
Figure BDA0002962257710000061
S3，根据设定和实测空气流量、压力分别设计PI控制器
整体控制结构如图2所示。由流量PI控制器和压力PI控制器结合反向解耦模块分别控制空压机转速和背压阀开度，从而达到控制流量和压力的目的。
流量PI控制器与压力PI控制器均按照下面式子计算得到：
Figure BDA0002962257710000062
其中，Kp为比例常数，Ki为积分常数
对于空入流量PI控制器，其输入为设定流量与质量流量传感器实测流量之差，输出为空压机转速。
对于空入压力PI控制器，其输入为设定压力与压力传感器实测压力之差，输出为背压阀开度。
S4，基于内模方法的PI整定方法，将四个参数整定转化为两个。
经过解耦后的流量和压力传递函数均为如下形式：
Figure BDA0002962257710000063
选取滤波器为一阶形式：
Figure BDA0002962257710000064
式中，λ为滤波时间常数，按照内模控制器设计方法：
Figure BDA0002962257710000065
得到等效内模反馈控制器：
Figure BDA0002962257710000066
与PI控制器式子对照可得，可得Kp、Ti的取值为：
Figure BDA0002962257710000067
从而将4个参数转化为2个滤波参数的调整，大大方便了参数整定。
S5，两个PI控制输出分别控制空压机转速和背压阀开度，从而实现空气流量和空入压力的解耦；
为了验证解耦效果，在Simulink中进行仿真实验，固定电流为300A，分别根据实际情况设计给定流量序列和空气入堆压力序列，在第5s和第10s时，空气流量序列发生突变分别从100g/s减小到90g/s和从90g/s增加至105g/s，对应的参考压力序列在15s、20s时，分别从195kPa增加至210kPa和从210kPa增加至195kPa，得到的效果参照图(4a)和(4b)。
本实例所得到的仿真结果表明能够快速跟踪设定的流量和压力，具有较小的超调量和良好的反应速度，并且具有较强的鲁棒性，在不同温度和湿度下均有较好的表现，能够实现流量、压力的解耦控制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。显然，本行业的技术人员应该了解本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域内的技术人员可以在本发明主要思想内做其他变化，这些所引申出的显而易见的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)进行空入流量、压力与空压机转速和背压阀开度的传递函数辨识；
2)根据辨识所得到的传递函数进行反向解耦，用以实现空入流量和压力的独立控制；
3)分别设计流量PI控制器和压力PI控制器，使其分别控制空压机转速和背压阀开度；
4)采用基于内模方法的PI整定方法，将两个PI控制器中的四个参数整定转化为两个；
5)根据整定后的两个PI控制器分别控制空压机转速和背压阀开度，从而实现空气流量和空入压力的解耦控制。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，进行传递函数辨识具体包括以下步骤：
选择不同负载电流下的标定参数作为平衡点，并在平衡点附近施加激励，调节空压机转速和调节背压阀开度，得到多组不同转速、不同背压阀开度下的空入流量和空入压力数据，并采用最小二乘法进行参数辨识，得到传递函数的待辨识参数。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，传递函数的表达式为：
Figure FDA0002962257700000011
其中，y1为空入流量，y2为空入压力，u1为空压机转速，u2为背压阀控制量，k11、k12、k21、k22、T11、T12、T21、T22均为待辨识参数。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，对辨识所得到的传递函数进行反向解耦的表达式为：
Figure FDA0002962257700000021
Figure FDA0002962257700000022
Figure FDA0002962257700000023
Figure FDA0002962257700000024
其中，G为燃料电池系统的传递函数矩阵，g11、g12、g21、g22分别为G中的元素，Gv为反向解耦矩阵，gv11、gv12、gv21、gv22分别为Gv中的元素，Y为空入流量和压力构成的矩阵，V为中间变量矩阵，v1、v2分别为中间变量。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，流量PI控制器的输入为设定流量与质量流量传感器实测流量之差，输出为空压机转速，压力PI控制器的输入为设定压力与压力传感器实测压力之差，输出为背压阀开度。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，其特征在于，所述的步骤4)中，分别根据解耦后的传递函数引入滤波器得到等效内模反馈控制器，并根据等效内模反馈控制器分别确定流量PI控制器和压力PI控制器中的参数。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，其特征在于，所述的等效内模反馈控制器GIMC(s)的表达式为：
Figure FDA0002962257700000025
其中，s为拉普拉斯算子，对于流量PI控制器和压力PI控制器T取值分别为T11和T22，对于流量PI控制器和压力PI控制器K取值分别为k11和k22，λ表示滤波时间常数，对应流量PI控制器和压力PI控制器设置为λ1和λ2。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池空入流量与压力解耦控制方法，其特征在于，根据等效内模反馈控制器分别确定流量PI控制器和压力PI控制器中的参数具体表达式如下：
Figure FDA0002962257700000031
其中，Kp、Ti分别为流量PI控制器和压力PI控制器的比例常数和积分常数。
9.一种实现如权利要求1-8任一项所述的燃料电池空入流量与压力解耦控制方法的控制系统，其特征在于，该系统包括流量PI控制器、压力PI控制器以及依次设置的反向解耦模块和燃料电池系统模块，所述的流量PI控制器和压力PI控制器的输出端分别与反向解耦模块连接，流量PI控制器的输入为设定流量与质量流量传感器实测流量之差，输出为空压机转速，压力PI控制器的输入为设定压力与压力传感器实测压力之差，输出为背压阀开度，所述的燃料电池系统模块输出为实际流量和压力。
10.根据权利要求7所述的一种燃料电池空入流量与压力解耦控制系统，其特征在于，所述的流量PI控制器和压力PI控制器用以分别解耦独立控制空压机转速和背压阀开度，使得流量和压力达到设定期望值。
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